摘" 要：汽車用棉氈是汽車聲學(xué)包中常見的多孔材料，基于BIOT理論對其材料參數(shù)進(jìn)行測試，并利用FOAM-X仿真軟件對材料參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，得出該車用棉氈在具體頻段下受哪個材料參數(shù)的影響，通過改變棉氈的材料組分和生產(chǎn)工藝，最終對分析出來的材料參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而使得棉氈的吸音性能提升。結(jié)果顯示，通過FOAM-X仿真分析可知，汽車用棉氈的低頻主要受熱特征長度和流阻率影響，而中高頻主要受粘性特征長度和流阻率影響。通過降低棉氈纖維直徑并結(jié)合氣流成網(wǎng)工藝，可減小棉氈的粘性特征和熱特征長度并增大其流阻率，從而提升棉氈的吸音性能。

關(guān)鍵詞：多孔材料；材料參數(shù)；BIOT理論；細(xì)纖維；氣流成網(wǎng)；吸音

中圖分類號：U465" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2023）01-0039-05

Research and Verification of Acoustic Material Parameters of Automobile Felt

LIN Lian-di， ZHENG Guan-cui， WANG Xian-feng， FENG Hui

（ Guangzhou Linjun Co.， Ltd， Guangzhou 511356， China ）

Abstract： The automobile cotton felt is a common porous material in the automobile acoustic package. The material parameters are tested based on the BIOT theory， and the sensitivity analysis of the material parameters is carried out using the FOAM-X simulation software. It is concluded that the automobile cotton felt is affected by the material parameters in the specific frequency band. By changing the material composition and production process of the cotton felt， the analyzed material parameters are finally adjusted， so as to improve the sound absorption performance of the cotton felt. The results show that， through FOAM-X simulation analysis， the low frequency of automotive cotton felt is mainly affected by the thermal characteristic length and flow resistance， while the medium and high frequency are mainly affected by the viscous characteristic length and flow resistance. By reducing the fiber diameter of the cotton felt and combining with the air flow web forming process， the viscous and thermal characteristic length of the cotton felt can be reduced and its flow resistance can be increased， thus improving the sound absorption performance of the cotton felt.

Key Words： Porous materials; Material parameters; BIOT theory; Fine fiber; Air flow net forming; Sound absorption

林連娣

畢業(yè)于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于廣州林駿汽車內(nèi)飾件有限公司，任實驗室NVH測試與仿真分析工程師，主要研究汽車內(nèi)外飾零部件NVH的性能優(yōu)化和試驗、仿真技術(shù)。

引" " 言

近年來，隨著人們生活水平的提升和汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，消費者對汽車的選購標(biāo)準(zhǔn)也從以前的可供駕駛轉(zhuǎn)化成為了舒適型駕駛，對車內(nèi)的靜謐感和舒適度要求越來越高。對于競爭越來越激烈的汽車行業(yè)，各個主機(jī)廠也提出了各自的應(yīng)對措施，其中改善汽車NVH特性來提高駕乘體驗已成為了提升產(chǎn)品競爭力的最直接方法之一。[1][2]因此，在整車的設(shè)計開發(fā)中，汽車的噪聲控制是必不可少的環(huán)節(jié)。[3]為了降低噪聲對車內(nèi)人員的影響，有很多的學(xué)者對此展開了大量的研究。[4]

劉愷[5]基于VA One的仿真分析，研究了多孔材料吸聲性能與流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)損耗因子的關(guān)系，為吸聲系數(shù)的計算提供了理論分析的依據(jù)。曹曙明等[6]通過Matlab 軟件計算分析了流阻對多孔泡沫鋁吸聲性能的影響，探討了流阻率與多孔泡沫鋁的最佳吸聲段的對應(yīng)關(guān)系，得出了多孔泡沫鋁吸聲性能最優(yōu)的流阻值范圍。官文斌等[7]利用多孔材料參數(shù)在Nova仿真軟件中計算了雙層棉氈、ABA（absorber-barrier-absorber） 和dissipative這3種多層平板材料的吸聲與隔聲特性，分析了吸聲系數(shù)的計算值與實測值誤差的原因。熊鑫忠等[8]通過對流阻率測試邊界條件的研究，最終得出，在流阻率測試時加兩個環(huán)能提升仿真精度，為今后的聲學(xué)材料測試研究提供指導(dǎo)。

目前，噪聲的抑制方法主要有以下三個方面：在聲源處抑制噪聲的產(chǎn)生、在傳播途徑中抑制噪聲的傳播、在接收處阻斷噪聲的傳入。其中，在噪聲的傳播途徑上，可以通過吸聲材料對噪聲進(jìn)行吸收。而汽車用棉氈作為聲學(xué)包裝材料中的重要吸聲材料，其自身聲學(xué)性能的好壞往往決定了車輛內(nèi)部噪聲的大小。

棉氈內(nèi)部由固體部分和空氣組成，固體部分構(gòu)成了棉氈的內(nèi)部骨架，在纖維骨架內(nèi)，則存在大量可流通的空氣。當(dāng)聲波進(jìn)入棉氈時，聲波會在纖維內(nèi)部進(jìn)行傳播，由于空氣具有一定的粘滯阻力，所以聲波在運動的過程中會引起空氣的運動并產(chǎn)生粘性熱效應(yīng)。粘性熱效應(yīng)的產(chǎn)生對棉氈的聲學(xué)性能具有重要的影響，它通常取決于棉氈的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。因此在分析棉氈的聲學(xué)性能時，非常有必要對其進(jìn)行材料的特征參數(shù)測量，以便了解其微觀結(jié)構(gòu)的特性。

基于Biot多孔彈性理論[9]，多孔材料由耦合的流體固體方程來推算預(yù)測，存在三種波在開孔多孔介質(zhì)中傳播：流體和固體中的兩個耦合壓縮波和固體中的一個剪切波。使用這一理論的前提是，必須知道每個相的固有參數(shù)。通常，對于流體相，采用Johnson Champoux Allard模型[10][11]，有5個參數(shù)是必需的：開孔孔隙率、靜態(tài)流阻率、扭曲度、粘性特征長度和熱特征長度；對于固體相，采用各向同性線性彈性理論，有4個參數(shù)是必需的：楊氏模量、泊松比、結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子和體密度。

關(guān)于以上九個多孔材料特征參數(shù)的研究雖然已有很多，但大多是研究其測試原理及影響因素，以及如何將其應(yīng)用于仿真分析，鮮有人研究如何運用多孔材料的特征參數(shù)來指導(dǎo)材料的改善。基于此，本文特針對“多孔材料的特征參數(shù)—材料組分及生產(chǎn)工藝—吸音性能”展開相關(guān)研究。

1" " 棉氈的吸音系數(shù)及材料特征參數(shù)測試

1.1" "棉氈的吸音系數(shù)測試

采用瑞士歐拓的Alpha cabin混響室測量平板樣件的吸聲系數(shù)，樣件尺寸1.2m×1.0m，測試頻率范圍：400Hz～1000Hz。測試設(shè)備如圖1：

混響室的聲音為隨機(jī)入射，室內(nèi)各處的聲能相等，從聲源發(fā)聲停止后，室內(nèi)降低60dB所需要的時間稱為混響時間[10]，記為T60，表達(dá)如（1）：

V—混響室的體積（m3）

A—測試樣件面積（m2）

吸聲系數(shù)的計算公式：通過混響時間計算各個頻段的吸聲系數(shù)，計算公式（2）：

α—吸音系數(shù)

c—音速（m/s）

T0—空艙時混響時間（s）

T1—放置樣件時混響時間（s）

棉氈材料為PET+（L-PET），通過加熱和裁切，制作成1.2m×1.0m的平板樣件，放置于混響室中測試，所測試得到的吸音系數(shù)如下圖2所示：

1.2" "棉氈的材料參數(shù)測試與分析

流阻是空氣通過材料縫隙中的阻力，單位厚度的流阻稱為材料的流阻率。利用加拿大Mecanum公司的靜態(tài)流阻儀（型號：SIGMA）來對棉氈進(jìn)行流阻率測試，如下圖3：

開孔孔隙率是連通多孔網(wǎng)絡(luò)中空氣所占體積的比例。即材料空隙內(nèi)流體的體積與整個多孔材料的體積之比。利用加拿大Mecanum公司的開孔孔隙率/密度儀（型號：PHI-X）測試得到，同時，棉氈的體密度也是由PHI-X測試而來，如下圖4：

楊氏模量是一個表征材料剛度特性的彈性參數(shù)，是材料應(yīng)力和應(yīng)變的比值。泊松比是一個表征材料在承受軸向壓縮或拉伸時材料垂向擴(kuò)展的彈性參數(shù)，是材料橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比值。結(jié)構(gòu)損耗因子或結(jié)構(gòu)阻尼是一個表示多孔材料固體部分耗散能量的彈性參數(shù)。其中楊氏模量、泊松比和結(jié)構(gòu)損耗因子都是用加拿大Mecanum公司的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析儀（型號：QMA）測試得到，如下圖5：

幾何扭曲度或者叫結(jié)構(gòu)因子是對聲波通過直接路徑時產(chǎn)生的實際路徑發(fā)生的偏差的幾何測量。粘性特征長度是對中高頻時的粘性耗散效應(yīng)度量，在孔隙尺度上，其量級與較小孔隙和頸半徑的平均值同階，這里粘性損耗比熱損耗占優(yōu)，可以把它看做材料中尺寸較小的那部分孔腔平均直徑。熱性特征長度是對中高頻時的熱耗散效應(yīng)度量，在孔隙尺度上，其量級與較大孔隙半徑的平均值同階，這里熱損耗比粘性損耗占優(yōu)，可以把它看做材料中尺寸較大的那部分孔腔平均直徑，詳見圖6：

其中，扭曲度、粘性特征長度和熱性特征長度這三個參數(shù)都是用FOAM-X仿真軟件逆推得到，詳見表1。

2" " 棉氈材料特征參數(shù)的靈敏度分析

利用FOAM-X仿真軟件的FAST法對棉氈的材料特征參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，如圖7。由圖7可見，棉氈的低頻主要受熱特征長度和流阻率影響，而中高頻主要受粘性特征長度和流阻率影響。

明確棉氈的影響參數(shù)后，利用FOAM-X仿真軟件的靈敏度分析模塊分別對粘性特征長度、熱特征長度和流阻率進(jìn)行正負(fù)相關(guān)性分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘性特征長度變小時，棉氈的中高頻吸音性能提升，當(dāng)增大其粘性特征長度時，棉氈的中高頻吸音性能下降；當(dāng)熱特征長度變小時，棉氈的吸音性能提升，當(dāng)增大其熱特征長度時，棉氈的吸音性能下降；當(dāng)流阻率適當(dāng)變小時，棉氈的吸音性能下降，當(dāng)適當(dāng)增大其流阻率時，棉氈的吸音性能下降，詳見下圖8、9、10所示。

3" " 棉氈優(yōu)化及測試驗證

經(jīng)上述材料特征參數(shù)分析，提高棉氈的吸音性能主要需降低粘性特征和熱特征長度，并且適當(dāng)增大棉氈的流阻率。結(jié)合棉氈的材料配比和工藝分析，決定的優(yōu)化方法為：一是將棉氈中的粗纖維換為直徑更細(xì)的棉纖維；二是將原棉氈的平鋪工藝換成氣流成網(wǎng)工藝。優(yōu)化材料組分和生產(chǎn)工藝后的汽車用棉氈，分別利用加拿大Mecanum公司的靜態(tài)流阻儀（型號：SIGMA）、開孔孔隙率/密度儀（型號：PHI-X）、準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析儀（型號：QMA）對流阻率、孔隙率、體密度、楊氏模量、泊松比和結(jié)構(gòu)損耗因子這六大材料參數(shù)進(jìn)行測試，再利用FOAM-X仿真軟件逆推得到改善后汽車用棉氈的扭曲度、粘性特征長度和熱性特征長度，結(jié)果如下表2所示。

對比表1改善前棉氈的材料特征參數(shù)，優(yōu)化后的棉氈，其粘性特征長度和熱特征長度分別降低了56%和30%，流阻率增大了150%，滿足FOAM-X分析的正負(fù)相關(guān)性要求。

4" " 結(jié)果與討論

本文利用FOAM-X仿真軟件的靈敏度分析模塊對所測得的材料特征參數(shù)進(jìn)行分析，并且對分析出來的關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行正負(fù)相關(guān)性分析，最終明確具體參數(shù)是該增大還是減小，然后通過改變棉氈的材料組分及生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到材料特征參數(shù)調(diào)整的目的。

將通過纖維組分及生產(chǎn)工藝優(yōu)化后的棉氈制成1.2m×1.0m的平板樣件進(jìn)行ALPHA CABIN吸音測試，并與優(yōu)化前的棉氈吸音進(jìn)行對比，結(jié)果詳見下圖11所示：

從圖11可看出，優(yōu)化后的棉氈在400～6300Hz處的吸音都得到了明顯的改善提升，證明根據(jù)FOAM-X仿真分析而指導(dǎo)的纖維組分及生產(chǎn)工藝改善有效。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)：

（1）通過FOAM-X仿真軟件的FAST法靈敏度分析可看出，汽車用棉氈的低頻主要受熱特征長度和流阻率影響，而中高頻主要受粘性特征長度和流阻率影響。

（2）通過FOAM-X仿真軟件的靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，汽車用棉氈的吸音性能隨著流阻率的變大而提升，中低頻吸音性能隨著熱特征長度的變小而提升，中高頻隨著粘性特征長度的變小而提升。

（3）通過降低棉氈纖維直徑并結(jié)合氣流成網(wǎng)工藝，可減小棉氈的粘性特征和熱特征長度并增大其流阻率，從而提升棉氈的吸音性能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李珊. 汽車高里程NVH 性能衰減關(guān)鍵特性評價與預(yù)測研究[D].山東交通學(xué)院，2021.

[3]龐劍. 汽車車身噪聲與振動控制[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2015．

[4]王營，趙武，黃丹.多孔材料聲學(xué)模型及其應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2015，29（5）：145-149．

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[12]杜功煥等.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京： 南京大學(xué)出版社，2012．

專家推薦語

楊嬌娥

武漢達(dá)安科技有限公司

汽車非金屬材料" 研究員級高級工程師

文章開展“多孔材料的特征參數(shù)、材料組分及生產(chǎn)工藝、吸音性能”相關(guān)性研究，針對多孔材料特征參數(shù)進(jìn)行了大量測試，進(jìn)行相關(guān)仿真分析，通過大量試驗及驗證，優(yōu)化了材料相關(guān)參數(shù)及生產(chǎn)工藝，提升了棉氈的吸音性能。

文章架構(gòu)合理，邏輯清晰，在如何運用多孔材料的特征參數(shù)來指導(dǎo)材料的改善方面有一定的創(chuàng)新，為開發(fā)吸音性能優(yōu)良的棉氈產(chǎn)品及質(zhì)量改善提供了有意義的指導(dǎo)。